航天器的在轨服务已经成为航天技术发展的重要趋势之一,服务航天器与目标航天器间的相对导航与控制是实现在轨服务任务的关键技术。本论文针对在轨服务航天器逼近目标过程中的相对导航、相对位置和姿态控制以及相应的地面仿真验证问题展开了系统研究。为了提高服务航天器最终逼近段相对导航的测量精度,本文提出了一种包括景深和绝对方位求解两阶段的单目视觉相对位姿确定迭代算法,并构建了基于滑模观测器的相对运动参数估计和重构模型,实现了对航天器间相对位置和姿态的精确测量,同时,重构了相对速度和姿态角速度信息。根据视觉相对导航系统提供的导航信息,研究了航天器间相对轨道与跟踪控制问题,推导了基于LQR的相对轨道控制算法和最优变结构姿态跟踪控制算法,前者给出了离散控制形式,同时加入控制向量受限约束,具有良好的稳定性。后者采用控制力矩饱和约束和滑动模态设计,提高了控制系统的鲁棒性。最后,为验证本论文所涉及相对导航与控制算法的正确性和有效性,提出了在轨服务航天器视觉跟踪控制物理仿真验证方案,建立了基于MicroSim仿真平台的在轨服务航天器姿态控制仿真验证系统,实现了高精度姿态跟踪方法的仿真验证。